Giftig enhet

Toxiska enheter ( TU ) används inom toxikologiområdet för att kvantifiera växelverkan mellan giftiga ämnen i binära blandningar av kemikalier. En toxisk enhet för en given förening baseras på den koncentration vid vilken det finns 50 % effekt (ex. EC50 ) för en viss biologisk effektmått. En toxisk enhet är lika med EC50 för en given endpoint för en specifik biologisk effekt under en given tidsperiod. Toxiska enheter möjliggör jämförelse av de individuella toxiciteterna för en binär blandning med den kombinerade toxiciteten. Detta gör det möjligt för forskare att kategorisera blandningar som additiv, synergistisk eller antagonistisk. Synergism och antagonism definieras av blandningar som är mer eller mindre toxiska än vad som förutsägs av summan av deras toxiska enheter.

Föroreningar förekommer ofta som blandningar i miljön. Regulatoriska beslut baseras på blandningstoxicitetsmodeller som antar additivitet, vilket kan resultera i under- eller överskattning av toxiska effekter. Att förfina vår förståelse för blandningsinteraktioner kan leda till bättre informerad miljöledning och beslutsfattande. Dessutom kan en undersökning av blandningsinteraktioner belysa verkningsmekanismerna för specifika toxiska ämnen som i många fall är dåligt förstådda.

Metoder

Användning av toxiska enheter kräver toxicitetsdata för de enskilda komponenterna i blandningen såväl som specialiserade blandningstoxicitetsdata. Genom att utvärdera svaret från varje enskild kemikalie kan forskarna generera ett nytt doseringsmått, giftiga enheter, som är standardiserat till varje kemikalies toxicitet. Eftersom toxiciteten för två föreningar kan variera kraftigt, kan 1 toxisk enhet av två olika föreningar motsvara två mycket olika koncentrationer per massa. Förutom de individuella komponenternas toxicitet kräver användningen av toxiska enheter en 2x2 faktoriell designkoncentrationsserie där responsen mäts på en ökning av varje förorening med den andra föroreningen konstant. Denna utarbetade koncentrationsserie tillåter forskare att beskriva hur blandningskomponenterna interagerar med varandra och förutsäga effekter vid oprövade kombinationskomponenter med olinjära regressionsmodeller.

Poänguppskattningar

Huvudartikel: Poänguppskattning

Exempel på koncentration-responsmodell som används för att beräkna EC50. Koncentrationen av giftämnen är på X-axeln och den biologiska responsen är på Y-axeln.

Punktuppskattning är en teknik för att förutsäga populationsparametrar baserat på tillgängliga provdata och kan användas för att relatera den massbaserade koncentrationen till ett toxicitetsbaserat mått. Punktuppskattningar inom toxikologi är ofta svarsändpunkter på en dosresponskurva . Dessa punktuppskattningar förutsäger vid vilken koncentration man skulle förvänta sig att se en given biologisk endpoint som 50 % dödlighet ( LC50 ). Vilken som helst toxikologisk endpoint (tillväxthämning, reproduktion, beteende etc.) kan användas som toxicitetsmått för att omvandla från massbaserad koncentration till toxiska enheter.

Punktuppskattningar genereras genom att anpassa en icke-linjär regressionsmodell till toxicitetsdata och använda den modellen för att förutsäga den koncentration av kemikalie som krävs för att framkalla ett känt svar av den biologiska endpointen.

Ekvation och beräkningar

En Toxisk enhet kan definieras av forskaren som den koncentration av en given kemikalie som krävs för att orsaka en given toxikologisk endpoint ( LC50 , EC50 , IC50 ).

1TU=LC50 eller 1TU=IC50 för hämning av tillväxt

Eftersom mass- eller molbaserade koncentrationer av olika kemikalier som krävs för att orsaka en given endpoint som en LC50 kan variera kraftigt, är koncentrationen som motsvarar 1TU specifik för varje enskild testad kemikalie.

Isologram

Isologram är ett sätt att presentera resultaten av binära blandningstoxicitetstester baserade i giftiga enheter. Styrkan med denna metod är dess enkelhet och användarvänlighet. Först ritas en additivitetslinje som motsvarar alla kombinationer av de två kemikalierna som skulle resultera i en giftig enhet. Därefter plottas de experimentella resultaten från tester med binära blandningar på isobologrammet. Resultaten från blandningstestet är punktuppskattningar från blandningsdosresponskurvorna som motsvarar de enskilda kemiska testerna. När dessa blandningspunktsuppskattningar plottas på isobologrammet, visar regionen de faller in i (baserat på koncentrationerna av de två kemikalier som krävs för att orsaka den givna endpointen) om blandningsinteraktionerna är additiv disambiguation , synergistisk eller antagonistisk .

Responsytor

Tredimensionell graf som visar funktionen F(x,y) där x och y kan vara koncentrationen av de enskilda komponenterna i toxiska enheter och höjden på grafen visar det toxikologiska svaret.

Responsytor är ett mer avancerat och komplext sätt att visualisera samma information som presenteras i ett isobologram. En responsyta är en tredimensionell graf med koncentrationer av enskilda komponenter i giftiga enheter på x- och y-axeln och svarsvariabeln på z-axeln. Denna tredimensionella representation av organismernas svar på de två kemiska stressorerna kan användas för att förutsäga toxiciteten hos vilken kombination som helst av komponenterna baserat på de olinjära regressionsmodellerna som bildar responsytan.

Antagonistiska, additiva och synergistiska effekter

Den primära användbarheten av toxiska enheter är att klassificera blandningsinteraktioner som additiv, synergistisk eller antagonistisk. Additivitet innebär att blandningens toxicitet är lika med summan av de enskilda komponenternas toxicitet. Additivitet är standardantagandet för modeller som används för att förutsäga blandningars toxicitet för reglerings- och miljöledningssyften. Synergistiska effekter uppstår när den experimentella toxiciteten hos blandningen är större än summan av de individuella toxiciteterna. Omvänt uppstår antagonistiska effekter när den experimentella toxiciteten för en blandning är mindre än vad som skulle förutsägas av additivitet. Att förstå blandningsinteraktioner kan förhindra över- eller underskattning av toxicitet av regulatorer som antar additivitet för okategoriserade blandningar.

Ansökningar

Jämviktsfördelning av sediment riktmärken

US EPA använder giftiga enheter som ett riktmärke, kallat equilibrium partitioning sediment benchmark (ESB), för att förutsäga toxiciteten hos polycykliska aromatiska kolväten (PAH)-förorenade sediment till bentiska ryggradslösa djur. Toxiska enheter beräknas från sedimentkoncentrationer på 34 PAH och deras förväntade sediment-, vatten- och lipidfördelningsbeteende. Baserat på jämviktsfördelningsmetoden (som står för den varierande biologiska tillgängligheten av kemikalier i olika sediment), är ESB för total PAH summan av kvoterna av minst var och en av de 34 individuella PAH i ett specifikt sediment, dividerat med slutlig kronisk värdekoncentration för varje specifik PAH i sediment. Enligt EPA är sötvatten- eller saltvattensediment som innehåller mindre eller lika med 1,0 giftiga enheter av blandningen av 34 PAH eller fler PAH acceptabla för skydd av bentiska organismer. Sediment som är större än 1,0 toxiska enheter är inte skyddande och har potentiellt skadliga effekter på bentiska organismer.

EPA ESB:er beaktar inte antagonistiska, additiva eller synergistiska effekter av andra sedimentföroreningar och har kritiserats som en alltför konservativ uppskattning för pyrogena PAH (som de från tillverkade gasanläggningsprocesser). Detta beror delvis på de analytiska metoderna för att bestämma de toxiska enheterna för både pyrogena och petrogena PAH.

Utvärdering av toxicitetsidentifiering

Toxicitetsidentifieringsutvärderingen (TIE) är ett tillvägagångssätt för att systematiskt karakterisera, identifiera och bekräfta giftiga ämnen i hela sediment och interstitiellt sedimentvatten. Detta tillvägagångssätt utförs vanligtvis av EPA. Koncentrationsdata för avloppseffekt och uppmätta toxiska koncentrationsdata omvandlas till toxiska enheter för regressionsanalysen för att utvärdera om det finns ett linjärt samband mellan två eller flera giftiga ämnen.

Begränsningar

Begränsningarna förknippade med användning av giftiga enheter beror till stor del på vilken metod de används i. Till exempel är användningen av isobologram endast tillämplig på binära blandningar. I allmänhet är giftiga enheter baserade på punktuppskattningar som begränsas av projektion. Punktuppskattningar, och därför toxiska enheter, är en förenkling av en dos-responsmodell . Information om toxiska effekter vid andra koncentrationer än punktskattningen går förlorad i translation.

Alternativa sätt att studera blandningar

Uppifrån och ner tillvägagångssätt

En vanlig metod för att studera blandningar är att mäta blandningens totala toxicitet och betrakta de interna giftiga interaktionerna som irrelevanta. Eventuella blandningseffekter beaktas i den totala toxiciteten. Resultaten för denna metod begränsas av att vara blandningsspecifika och har begränsat värde för att bestämma specifika toxicitetsmekanismer.

GLM-metoden

Användning av generaliserade linjära modeller (GLM) möjliggör komplex, icke-parametrisk modellanpassning för att beskriva toxicitetskomplexblandningarna. Generaliserade linjära modeller är mer benägna att hitta signifikanta skillnader från additivitet än TU-metoder. GLM-metoden tillåter också förändringar av modeller för att återspegla nuvarande kunskap om biologiska mekanismer